數(shù)字電路設(shè)計第7章 脈沖電路與整形電路

1、第第七七章章 脈沖波形的產(chǎn)生和整形電路脈沖波形的產(chǎn)生和整形電路一、本章內(nèi)容一、本章內(nèi)容7.1 概述概述7.2 555定時器定時器7.3 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 7.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器器 7.5 多諧振蕩器多諧振蕩器7.6 用用Multisim 分析分析555定時器的應(yīng)用電路定時器的應(yīng)用電路1.概述 在電子技術(shù)中，脈沖信號是一個按一定電壓幅度，一定時間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號。脈沖信號之間的時間間隔稱為周期；而將在單位時間（如1秒）內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)稱為頻率。頻率是描述周期性循環(huán)信號（包括脈沖信號）在單位時間內(nèi)所出現(xiàn)的脈沖數(shù)量多少的計量名稱；頻率的標(biāo)準(zhǔn)計量單位是Hz（赫茲）。 脈沖的原意

2、被延伸出來即隔一段相同的時間發(fā)出的波等機(jī)械形式，學(xué)術(shù)上把脈沖定義為在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量稱之為脈沖。 （1）脈沖周期T：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。有時也用頻率 表示單位時間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)。（2）脈沖幅度Um：脈沖電壓的最大變化幅度。（3）脈沖寬度 ：從脈沖的前沿上升到0.5Um處開始，到脈沖后沿下降到0.5Um為止的一段時間。（4）上升時間 ：脈沖的上升沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時間。（5）下升時間 ：脈沖的下降沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時間。（6）占空比 ：脈沖寬度與脈沖周期的比值。1.矩形脈沖的基本特性 脈沖有各種

3、各樣的用途，有對電路起開關(guān)作用的控制脈沖，有起統(tǒng)帥全局作用的時鐘脈沖，有做計數(shù)用的計數(shù)脈沖，有起觸發(fā)啟動作用的觸發(fā)脈沖等等。這些脈沖波形的獲取，通常采用兩種方法：一種是利用脈沖信號產(chǎn)生器直接產(chǎn)生；另一種則是對已有信號進(jìn)行整形，使之滿足系統(tǒng)的要求。 脈沖電路是專門用來產(chǎn)生電脈沖和對電脈沖進(jìn)行放大、變換和整形的電路。家用電器中的定時器、報警器、電子開關(guān)、電子鐘表、電子玩具以及電子醫(yī)療器具等，都要用到脈沖電路。2.脈沖電路2 .555定時器組成部分：基本RS觸發(fā)器、電壓比較器、分壓器、放電三極管 TD、輸出緩沖器 G4。比較器比較器基本基本RS觸發(fā)器觸發(fā)器輸出緩輸出緩沖器沖器OC輸出的三極管輸出的三

4、極管DRCC13VCC23VCC13VCC23V輸 入輸 出00導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止11截止I1uI2uOuDTCC13VCC23VCC13VCC23V555定時器功能表3 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器是一種常用的脈沖波形整形電路，能夠施密特觸發(fā)器是一種常用的脈沖波形整形電路，能夠?qū)⑦呇刈兓徛拿}沖信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波。將邊沿變化緩慢的脈沖信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波。它具有如下兩個特點：它具有如下兩個特點： 一是滯回特性，一是滯回特性，即對于正向和負(fù)向變化的輸入信號，分即對于正向和負(fù)向變化的輸入信號，分別有不同的臨界閾值電壓。別有不同的臨界閾值電壓。 二是電

5、平觸發(fā)，二是電平觸發(fā)，即當(dāng)輸入信號達(dá)到一定的電壓值時，輸即當(dāng)輸入信號達(dá)到一定的電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。這一特點對于緩慢變化的信號仍然適用。出電壓會發(fā)生突變。這一特點對于緩慢變化的信號仍然適用。因此施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)因此施密特觸發(fā)器是一種受輸入信號電平直接控制的雙穩(wěn)態(tài)電路。電路。VT 1VTuo0ui傳輸特性邏輯符號在此，稱在此，稱VT+為正向閾值電壓為正向閾值電壓，VT為負(fù)向閾值電為負(fù)向閾值電壓壓。顯然，施密特觸發(fā)器的正向和負(fù)向閾值電壓。顯然，施密特觸發(fā)器的正向和負(fù)向閾值電壓是不等的，定義二者之差是不等的，定義二者之差VT為回差電壓，即為回差電壓，即VT=

6、VT+VT。1.門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器門電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)假定圖中假定圖中CMOS反相器的閾值電壓為反相器的閾值電壓為VTH 1/2VDD，設(shè)電阻，設(shè)電阻R1R2。 圖 CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器2）工作原理）工作原理當(dāng)輸入當(dāng)輸入UI為為0V時，時，G1截止、截止、G2導(dǎo)通，輸出導(dǎo)通，輸出UO為為0V， 0 。當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓UI逐漸上升到逐漸上升到 =VTH時，時，G1進(jìn)入電壓特性的轉(zhuǎn)折進(jìn)入電壓特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，所以電路將發(fā)生如下正反饋：區(qū)，所以電路將發(fā)生如下正反饋： UO1UO 使電路迅使電路迅速跳變到速跳變到 UO=VOH VDD。由此可求出上升過程中電

7、路發(fā)生轉(zhuǎn)換時的輸入電平由此可求出上升過程中電路發(fā)生轉(zhuǎn)換時的輸入電平VT+ 。T212I212THIVRRRURRRVUTH21TH221T)VRR(1VRRRVIU 當(dāng)UI從高電平下降時， 也下降；當(dāng)UI下降使 趨于G1門的閾值電壓VTH時，G1門和G2門又處在要翻轉(zhuǎn)的邊緣；當(dāng)UI下降使 =VTH時，UO1=UOH，UO=UOL0。由此可求出此電路在UI下降過程中的負(fù)向閾值電壓VT。 212TDDDDTHIRRR)V(VVVUDD21TH221TVRRVRRRVTH21T)VRR(1VVTVT+-VTTH21VRR23）電壓傳輸特性圖 同相輸出施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性和邏輯符號圖 反相輸出施

8、密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性和邏輯符號滯回特性提高了施密特觸發(fā)器的抗干擾能力2.用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器 將閾值輸入端UTH和觸發(fā)輸入端UTR連接在一起，作為信號輸 入端，就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器。(a)電路圖 (b)簡化電路圖圖 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器ICC13uV時，比較器C1的輸出uC1=1，C2的輸出uC2=0，基本RS觸發(fā)器置1，輸出uO為高電平。 電路的電壓傳輸特性曲線當(dāng)CCICC1233VuV當(dāng)當(dāng)時，比較器C1和C2的輸出均為1，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，輸出uO維持高電平不變ICC23uV時，比較器C1輸出為0，C2的輸出為1，基本RS觸發(fā)器置0，輸出uO為低電平

9、如果uI從高于CC23V的電壓逐漸下降，當(dāng)CCICC1233VuV時，比較器C1 和C2的輸出均為1，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，輸出uO仍為低電平。當(dāng)uI下降到ICC13uV時，比較器C1輸出為1，C2的輸出為0，基本RS觸發(fā)器置1，輸出uO為高電平。所以施密特觸發(fā)器的回差電壓為：TTTCCCCCC211333UUUVVV電路的工作波形施密特觸發(fā)器的輸出電平是由輸入信號電平?jīng)Q定的。 “觸發(fā)”的含義是指當(dāng)uI由低電平上升到UT+、或由高電平下降到UT-時，會引起電路內(nèi)部的正反饋過程，從而使uO發(fā)生跳變。施密特觸發(fā)器的應(yīng)用1.用于波形的變換利用施密特觸發(fā)器的回差特性，可以將正弦波、三角波等一些

10、緩慢變化的周期性非矩形脈沖波變換成邊沿陡峭的矩形脈沖波。如圖所示圖 施密特觸發(fā)器應(yīng)用于波形變換2.用于波形的整形在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形波經(jīng)過傳輸后，波形往往會發(fā)生畸變。當(dāng)傳輸線上電容較大時，矩形波的上升沿和下降沿都會明顯地被延緩，如圖（a）所示。當(dāng)傳輸線較長，且接收端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，則在波形上升沿和下降沿會產(chǎn)生阻尼振蕩，如圖（b）所示。當(dāng)其它脈沖波通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖波上，則波形上將出現(xiàn)附加的噪聲，如圖（c）所示。3.用于脈沖鑒幅 施密特觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與輸入信號的幅值有關(guān)。根據(jù)這一特點，可將施密特觸發(fā)器作為幅度鑒別電路。例如，在施密特觸發(fā)器的輸入端輸入一系列

11、幅度不等的矩形脈沖，根據(jù)施密特觸發(fā)器的特點，只有那些幅度大于 的脈沖才能使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，才會在輸出端產(chǎn)生輸出信號；而對于幅度小于 的脈沖，施密特觸發(fā)器不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出端沒有輸出信號。因此，施密特觸發(fā)器能將幅度大于 的脈沖選出來，達(dá)到幅度鑒別的目的。如圖所示。 4.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)電路，有施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)電路，有0、1兩個穩(wěn)態(tài)，狀態(tài)改變兩個穩(wěn)態(tài)，狀態(tài)改變受外加信號控制。而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是單穩(wěn)態(tài)電路，有一個穩(wěn)態(tài)受外加信號控制。而單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是單穩(wěn)態(tài)電路，有一個穩(wěn)態(tài)（0態(tài)或態(tài)或1態(tài)）和一個暫穩(wěn)態(tài)，在外加輸入信號的作用下電路由態(tài)）和一個暫穩(wěn)態(tài)，在外加輸入信號的作用下

12、電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，保持一段時間后又自動返回原來的穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，保持一段時間后又自動返回原來的穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出通常為寬度恒定的脈沖信號，而暫穩(wěn)態(tài)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出通常為寬度恒定的脈沖信號，而暫穩(wěn)態(tài)的時間僅取決于電路自身的相關(guān)參數(shù)。時間僅取決于電路自身的相關(guān)參數(shù)。1 .門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 2） 工作原理工作原理 此電路用負(fù)脈沖觸發(fā)無效，只有在正的窄脈沖觸發(fā)時，電路才有響應(yīng)。此電路用負(fù)脈沖觸發(fā)無效，只有在正的窄脈沖觸發(fā)時，電路才有響應(yīng)。接通電源接通電源VDD，不觸發(fā)時，不觸發(fā)時，UI=0，而，而UI2=V

13、DD=1，所以，所以UO=0。故有自然穩(wěn)態(tài)：。故有自然穩(wěn)態(tài)：UO=0。此時此時 =0，UO1=1VDD 。自然穩(wěn)態(tài)時，電容。自然穩(wěn)態(tài)時，電容C兩端均為兩端均為VDD ，C中無電荷。中無電荷。C中無中無電荷，是穩(wěn)態(tài)的標(biāo)志電荷，是穩(wěn)態(tài)的標(biāo)志。觸發(fā)時，觸發(fā)時，UI=1，UO1=0，由于電容，由于電容C兩端的電壓在觸發(fā)瞬間不能突變，所以兩端的電壓在觸發(fā)瞬間不能突變，所以UI2=0，使使UO=1。故有暫態(tài)。故有暫態(tài)UO=1。接下來，電容接下來，電容C充電，充電回路為充電，充電回路為VDDRCUO1 ，充電使，充電使UI2升高。當(dāng)升高。當(dāng)UI2升高升高到到G2門的閾值電壓門的閾值電壓VTH時，時，UO突跳

14、為突跳為0，電路返回到自然穩(wěn)態(tài)：，電路返回到自然穩(wěn)態(tài)：UO=0。當(dāng)當(dāng)UO=0時，時， =0，UI=0（UI為窄脈沖，觸發(fā)高電平此時已經(jīng)消逝），為窄脈沖，觸發(fā)高電平此時已經(jīng)消逝），所以所以UO1從從“0”突跳為突跳為“1”（即上升了（即上升了VDD）；由于電容）；由于電容C兩端的電壓兩端的電壓瞬間不能突變，所以瞬間不能突變，所以UI2也應(yīng)該從也應(yīng)該從VTH突跳為突跳為VTH+VDD，但實際上由于，但實際上由于G2門輸入端有鉗位二極管，所以門輸入端有鉗位二極管，所以UI2實為實為VDD0.7V。接下來，電容接下來，電容C開始放電，放電回路有兩條，分別為開始放電，放電回路有兩條，分別為UI2RVDD

15、和和UI2G2VDD ，放電使，放電使UI2下降，當(dāng)下降，當(dāng)UI2下降到等于下降到等于VDD時（此時，時（此時，C兩端均兩端均為為VDD，C中無電荷），電路穩(wěn)定，保證中無電荷），電路穩(wěn)定，保證UO=0。微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作波形主要參數(shù)估算：（1）輸出脈沖寬度tW：DDWDDTH0lnln20.69VtRCRCRCVU（2）輸出脈沖幅度Um：mOHOLDDUUUV（3）恢復(fù)時間tre：re3 5tRC（4）分辨時間TddWreTttmi nWr eTtt（5）最高工作頻率：maxminWre11fTtt 555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將將555定時器的觸發(fā)輸入端定時器

16、的觸發(fā)輸入端UTR作為觸發(fā)信號輸入端，將由作為觸發(fā)信號輸入端，將由TD和和RDIS構(gòu)構(gòu)成的反相器輸出電壓成的反相器輸出電壓UDIS接至閾值輸入端接至閾值輸入端UTH，并在閾值輸入端，并在閾值輸入端UTH對對地接入電容地接入電容C。1T TD D5K5K5K172658Vcc43G4G3G2G1C1C2QQ0.01FRCuIuOR1uR2uCuC1uC2u (a)電路圖 (b)簡化電路圖ICCC21U1 (VU1)3如果沒有觸發(fā)信號時即可，C1DDISC2U10TU00U1QQ若通電后導(dǎo)通保持DDISCCC1C1DC221TCUV3U1U00TC0U1QQQ 若通電后截止充電至導(dǎo)通放電保持C1C

17、2ODUU1,0,U0,TQ那么穩(wěn)態(tài)時：導(dǎo)通IC1ICCDC2UU11UV,1,TCU03Q觸發(fā)時只要降至則截止開始充電DISCCICC21UVUV33當(dāng)充至?xí)r（假定此時已經(jīng)回到高于）C1C1DC2C2U0U10,TC00U1U1QQ則導(dǎo)通開始放電至保持暫穩(wěn)態(tài)輸出的寬度與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)無關(guān)IU對的寬度有何要求？IU若的寬度過寬？是否可以重復(fù)觸發(fā)？觸發(fā)脈沖寬度要小于輸觸發(fā)脈沖寬度要小于輸出脈沖寬度出脈沖寬度加微分電路加微分電路不可重復(fù)不可重復(fù)CCWCCCC011 31.123VtRC nRC nRCVV單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1.延時與定時（a）電路圖

18、 （b）波形圖圖 脈沖信號的延時與定時控制2.整形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器能夠把輸入的不規(guī)則脈沖信號整形為具有一定幅度和一定寬度的邊沿陡峭的矩形脈沖波形。如圖所示， 的幅度僅取決于單穩(wěn)態(tài)電路輸出的高、低電平，寬度tW只與R、C有關(guān)。圖 波形的整形5.多諧振蕩器多諧振蕩器1）門電路構(gòu)成的多諧振蕩器 多諧振蕩器也稱自激振蕩器，是產(chǎn)生矩形脈沖波的典型電路，常用來做脈沖信號源。多諧振蕩器沒有輸入端，接通電源便自激振蕩。多諧振蕩器起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，它們交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號，因此又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。a）電路圖（b）充電時的等效電路（c）放電時的等效電路從圖中可以看出，電容C1同時經(jīng)過

19、R1和RF2兩條支路充電，電容C2經(jīng)過RF1放電，所以電容C1充電速度較快，UI2首先上升到G2的閾值電壓，即UI2變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過正反饋回路作用，使UO2迅速跳變?yōu)榈碗娖?，UO1迅速跳變?yōu)楦唠娖剑措娐愤M(jìn)入第二個暫穩(wěn)態(tài)：UO1=1、UO2=0。此時，電容C1開始放電、C2 開始充電。 假定在t=0時接通電源，電容C尚未充電，電路的初始狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，uO1=UOH，uI=uO=UOL。這時，電源VDD對電容C充電，如圖7-19（b）所示。隨著充電時間的增加，uI的值不斷上升，當(dāng)uI達(dá)到G1門的閾值電壓UTH時，電路將發(fā)生一個正反饋過程這一正反饋過程使G1門迅速導(dǎo)通，G2門迅速截止，電路進(jìn)

20、入第二暫穩(wěn)態(tài)，uO1=UOL， uO=UOH。同時電容C開始放電，如圖7-19（c）所示。隨著電容C放電時間的增加，uI的值不斷下降，當(dāng)uI降到G1門的閾值電壓UTH時，電路將發(fā)生另一個正反饋過程工作電壓波形工作電壓波形DDDDTH1DDTHlnln3 VVUTRCRCVUDDTH2TH0lnln30VUTRCRCU122ln3 2.2 T T TRCRC電路的振蕩周期為：施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器在接通電源的瞬間，電容C上初始電壓為0，輸出uO為高電平，uO經(jīng)R向電容C充電，當(dāng)充至 時，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出uO變?yōu)榈碗娖健ｋS后電容C又經(jīng)R進(jìn)行放電， 下降，當(dāng)放電至 時，施密特觸發(fā)器又發(fā)生

21、翻轉(zhuǎn)，輸出uO又變?yōu)楦唠娖?，電容C又被重新充電。這樣周而復(fù)始，電路形成振蕩，輸出端就可以得到較理想的矩形脈沖。ITuU由于施密特觸發(fā)器有 和 兩個不同的閾值電壓，將施密特觸發(fā)器的輸出端經(jīng)RC積分電路接回其輸入端，就可以使電路的輸出電壓在 和 之間不停地反復(fù)變化，這樣在它的輸出端就得到矩形脈沖波，即利用施密特觸發(fā)器構(gòu)成了多諧振蕩器。TUT-UTUT-U圖 施密特觸發(fā)器構(gòu)成多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器石英晶體多諧振蕩器 若在石英晶片的兩極加上一個電場，晶片將會產(chǎn)生機(jī)械變形。若在晶片上施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上會產(chǎn)生一定的電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。因此，當(dāng)在晶片的兩極加上交變電壓時，晶

22、片將會產(chǎn)生機(jī)械變形振動，同時晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片的機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅都非常微小，只有在外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅才會突然增加，比一般情況下的振幅要大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。這和LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似，因化，石英晶體又稱為石英諧振器。上述特定頻率稱為晶體的固有頻率或諧振頻率。如下圖給出了石英晶體的電抗頻率特性和符號。它有一個極其穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率f0，且等效品質(zhì)因數(shù)Q值很高。只有頻率為f0的信號最容易通過，而其他頻率的信號均會被晶體所衰減。石英晶體不僅選頻特性極好，而且諧振頻率f0十分穩(wěn)定，其穩(wěn)定度可達(dá)10-1010-11。（a）電

23、抗頻率特性 （b）符號電路中R1、R2的作用是保證兩個反相器在靜態(tài)時能工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，使每個反相器都成為具有很強(qiáng)放大能力的放大電路。圖 石英晶體的電抗頻率特性和符號圖 石英晶體多諧振蕩器555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器定時器構(gòu)成的多諧振蕩器先利用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，然后將施密特觸發(fā)器的輸出端經(jīng)RC積分電路接到施密特觸發(fā)器的輸入端。為了減輕555定時器輸出緩沖器的負(fù)載，在電容C較大時不宜直接由輸出端提供電容的充電電流和放電電流，經(jīng)常采用的方法是將TD和RDIS構(gòu)成的反相器輸出電壓UDIS經(jīng)RC積分電路接到UTR端。 1TDK5K5K5172658Vcc43ouG2C21Cu2CuQQ1Ru2RuF01. 0R1CR2CuC1G1G3G4圖 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器